Педосфера - регулятор біогеохімічних циклів важких металів

Процеси масообміну між компонентами ґрунту підтримуються різноманітними рівновагами, де домінуючою є рівновага тверда фаза - ґрунтовий розчин. Саме із ґрунтових розчинів здійснюється елементне живлення рослин. Одночасно ґрунтові розчини - живильне середовище для мікроорганізмів, що розкладають мертву органічну речовину.

Отже, процеси, що протікають між твердою фазою ґрунту і ґрунтовими розчинами, є важливою частиною механізму біогеохімічних циклів масообміну хімічних елементів.

Певна концентрація елементів у ґрунтовому розчині підтримується завдяки рівновазі із твердою фазою через два процеси:

· осадження-розчинення;

· адсорбція-десорбція.

Якщо в ґрунт надходить речовина, то вона розчиняється у воді під дією H⁺, OH^-, CO₃^2-, HCO₃^-, H₂PO₄^-, водорозчинних гумусових кислот. Одночасно з ґрунтових розчинів розсіяні метали адсорбуються твердою фазою, так з часом встановлюється гетерогенна рівновага. Найменшою розчинністю характеризуються сполуки важких металів з фосфатами. Тому наявність фосфатів - це резерв, який визначає концентрацію важких металів у твердій частині ґрунту і ґрунтових розчинах. З іншої сторони вміст фосфат-іонів у ґрунтовому розчині дуже низький, і додавання в такий розчин твердої фази ґрунту знижує зміст важких металів завдяки адсорбції без утворення індивідуальних хімічних сполук. Така адсорбція задовільно описується ізотермою адсорбції Фрейндліха:

 

x/m=KC^1/n,

 

тут: x/m- кількість адсорбованого металу; C- рівноважна концентрація металу в розчині; K, 1/n- константи.

При цьому існує два типи адсорбції:

· специфічна, з високими енергіями зв'язку;

· неспецифічна, з низькими енергіями зв'язку, вона вторинна.

Вважають що в першому випадку це координаційні або ковалентні зв'язки, а в другому - іонообмінні.

Специфічна адсорбція обумовлена гумусом і гідроксидами феруму, що утворюють поверхневі плівки. Відома селективна сорбція: Pb > Zn > Cd.

Комплекси металів з гумусом і Fe(OH)₃ досить стійкі, як і хемосорбційні утворення. Легше усього переходять у розчин метали, що перебувають у катіонообмінній формі. Чим більша частина металів пов'язана з органічною речовиною, тим менше вони доступні для рослин. По цьому рослини, що зростають на збагачених органічною речовиною ґрунтах, часто відчувають фізіологічний дефіцит Cu, Zn, Mn. Катіонообмінна адсорбція пов'язана із глинистими мінералами.

У гумусі Me зв'язуються дуже активно з карбонільними та фенольними групами, з утворенням хелатів:

 

(COOH)_n COO СООН)_n-x

R + M → R M + x,y H⁺

(OH)_m OH (OH)_m-y

Або катіонообмінно по зовнішнім функціональним групам:

 

COO COOH COO (COOM₁)

R M + 2M₁ → R M + 2H⁺

OH OH ОH (OM₁)

 

На адсорбцію впливають не тільки природа металу, але і природа гумусових кислот.

Можлива взаємодія металів з гідроксидом феруму:

 

 

O OH H O OH H

Fe O Fe O

H

O + M ²⁺ → O M + 2H⁺

OH H OH

Fe O Fe O

H H

O O

 

(структура гідрогетиту)

 

Певні рівні концентрації розсіяних елементів в ґрунтових розчинах мають винятково важливе значення для життєдіяльності рослин і ґрунтової біоти. Ґрунтові мікроорганізми адаптовані до неоднакових концентрацій Zn, Cu, Pb, Cl, Mо, Cо та інших розсіяних елементів. Із здатністю бактерій акумулювати певні метали пов'язують утворення великих родовищ Fe, Mn, Cu, V, U.

Ця здатність використана для технологічних цілей - мікробіологічного витягу металів з бідних руд і для очищення стічних вод.

Незважаючи на здатність до акумуляції металів мікроорганізми чутливо реагують на зростання їх концентрації. Часто життєдіяльність їх пригнічується, наприклад, для нітрогенофіксаторів. При цьому найбільше пригнічує Cd, менше - Cu, ще менше - Pb.

Ефект пригнічення нітрогенофіксації можна використати для оцінки рівня техногенного забруднення ґрунтів.

Отже, через причину значної сорбційної ємності і дії зазначених рівноваг, ґрунт має високу здатність зв'язувати маси важких металів і підтримувати низькі рівні їх концентрацій у ґрунтовому розчині, що забезпечує селективне поглинання необхідної рослинам кількості металів, завдяки наявній рівновазі, тверда частина ґрунту здатна виділяти їх у ґрунтовий розчин.

Утворення комплексів металів з органічною речовиною ґрунту сприяє виведенню надлишкових мас металів з міграційних циклів на тривалий час. Міцність фіксації металів неоднакова: Hg > Pb > Cu >Zn = Cd. Поглинаючи i зв'язуючи надлишкові маси розсіяних елементів, що надходить на поверхню суші в активній розчинній формі, педосфера виконує функцію регулятора мас розсіяних елементів, які надходять у міграційні цикли, важлива роль тут належить органічній речовині ґрунту і гідроксидам феруму.

У світлі викладених даних ґрунт виявляється не тільки як головний засіб сільськогосподарського виробництва, але і як найважливіша ланка глобальної системи біосфери. Відповідальне значення ґрунту пов'язане з його функцією регулятора багатьох біогеохімічних циклів. Грунт систематично консервує значну маса органічної продукції вищих рослин, що забезпечує надходження в атмосферу вільного кисню. Одночасно в ґрунті продукується CO₂, необхідний для фотосинтезу і відтворення живої речовини. В ґрунті перетворюється інертний N₂ у форми, доступні для включення в біологічний круговорот. У ґрунті відбувається складна трансформація біогенів, в першу чергу - S, P. В наш час у зв'язку з інтенсивною технологічною діяльністю та емісією металів чітко виявляється роль педосфери як регулятора міграційних потоків мас важких металів та інших елементів зі змінною валентністю. З огляду на глобально важливу роль унікального біокосного утворення - педосфери, пріоритетними є проблеми її охорони.